技術(shù)探索丨陶瓷3D打印技術(shù)如何改變游戲規(guī)則,？

中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時(shí)代）就發(fā)明了陶器,。常見的陶瓷材料有粘土、氧化鋁,、高嶺土等,。陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性較差,。除了在食器,、裝飾的使用上，在科學(xué),、技術(shù)的發(fā)展中亦扮演重要角色,，且具有各種創(chuàng)意的應(yīng)用。

當(dāng)代陶瓷材料的應(yīng)用方向可概括為：
①結(jié)構(gòu)陶瓷--用于建筑磚,，管和屋頂/地磚等
②耐火陶瓷--用于制造鋼和玻璃的窯襯和坩堝,。
③家具陶瓷--包括餐具、裝飾瓷磚,、藝術(shù)品和浴室家具（廁所/水槽等）,。
④技術(shù)陶瓷--先進(jìn)的陶瓷材料具有高度的機(jī)械、化學(xué),、熱和電阻性,，通常用于航空、汽車,、軍事和醫(yī)療應(yīng)用,。

陶瓷材料的應(yīng)用比以往任何時(shí)候都更受關(guān)注，這是由于兩大趨勢：一方面,，3D打印技術(shù)的發(fā)展讓加工高級(jí)陶瓷材料成為可能,；
另一方面,，陶瓷材料可以作為終端應(yīng)用的理想材料，如生物相容性甚至是食品相容性的產(chǎn)品,。
此外,，陶瓷技術(shù)能夠提供理想的機(jī)械性能和3D打印功能，可以在復(fù)雜的高分辨率幾何形狀中塑造陶瓷部件,，這在過去是不可能的,。

3D打印技術(shù)所具有的操作簡單、速度快,、精度高等優(yōu)點(diǎn)給陶瓷注入了新的活力,。國外已有很多研究，其中包括硬件和工藝開發(fā),、材料開發(fā),、應(yīng)用開發(fā)，以及提供商業(yè)可用和專有陶瓷3D打印服務(wù)的專業(yè)化服務(wù),。出現(xiàn)了3DCeram,、Lithoz等專注陶瓷3D打印的公司。而國內(nèi)的陶瓷3D打印技術(shù)也發(fā)展迅速,，形成以高校為中心,，科技探索型公司涌現(xiàn)的良好格局（如十維科技、迅實(shí)科技,、長朗三維科技,、博力邁等）。

陶瓷與3D打印工藝
用于3D打印的陶瓷材料形態(tài)包括：
①漿料,，陶瓷成分與其他溶劑及添加劑的混合物,，通過物理、化學(xué)的方式成形,；
②陶瓷絲材，用于熔融堆積工藝,；
③陶瓷粉末,，陶瓷粉末、礦化物,、粘結(jié)劑等的混合物,，用于激光燒結(jié)、粘接等,；
④陶瓷薄片,，片壓成形、粘接,。

目前陶瓷3D打印成形技術(shù)主要可以分為：
①立體光固化技術(shù),、
②粘合劑噴射技術(shù),、
③懸浮液熱熔沉積技術(shù)、
④納米陶瓷射流技術(shù)……

值得一提的是,，近日,，哈工大團(tuán)隊(duì)在陶瓷涂層方面首創(chuàng)一種全新陶瓷3D印技術(shù)及材料（納米結(jié)構(gòu)和納米改性球形粉體材料，該研發(fā)填補(bǔ)了3D打印陶瓷材料的國際空白）,，據(jù)悉,，這項(xiàng)技術(shù)可使3D打印機(jī)打印出任何一種陶瓷產(chǎn)品，甚至已經(jīng)消失毀損的珍貴陶瓷藝術(shù)品,。

粘合劑噴射技術(shù)

使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件,。根據(jù)成形方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),，發(fā)展程度也有差距,。

陶瓷3D打印的熱門應(yīng)用
陶瓷3D打印技術(shù)及材料適用于航空航天、軍艦船舶,、汽車火車,、冶金、電力,、石油,、工程機(jī)械等領(lǐng)域，對提升國家高端裝備水平意義重大,。

陶瓷3D打印漸成醫(yī)療應(yīng)用“寵兒”,，在醫(yī)療中應(yīng)用陶瓷根據(jù)材料屬性的不同可以分為兩類：

一類是高性能陶瓷，如氧化鋯,、氧化鋁,、氮化硅，這類陶瓷材料不會(huì)降解,，由于其出色的機(jī)械性能,，耐磨性，低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛用于生產(chǎn)永久性植入物及義齒等醫(yī)療器械,。

另一類是可降解的陶瓷材料，如：羥基磷灰石,、碳酸三鈣等,，由于這類陶瓷材料與骨骼的無機(jī)成分相似，而被于制造可降解的植入物,，典型的應(yīng)用是制造骨修復(fù)支架,。通過在愈合過程中材料的降解，可以向細(xì)胞提供必要的離子,，并為細(xì)胞向內(nèi)生長創(chuàng)造空間,。

心臟起搏器泵（維也納科技大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員使用Lithoz 基于光固化工藝的LCM 3D打印技術(shù)作為心臟起搏器泵的制造方法,。裝置與主動(dòng)脈內(nèi)氣囊泵結(jié)合，可為冠狀動(dòng)脈血管優(yōu)化供血,，在關(guān)鍵的愈合階段緩解心臟壓力,。）

由高純度氧化鋁制成的心臟起搏器泵的部件

圖片來源：Lithoz （注：圖中部件比實(shí)際放大了10倍以上）

個(gè)性化骨修復(fù)器械（林茨開普勒大學(xué)醫(yī)院采用Lithoz的陶瓷3D打印技術(shù)開發(fā)了個(gè)性化的骨修復(fù)器械。能夠根據(jù)患者醫(yī)學(xué)影像設(shè)計(jì)出所需的修復(fù)器械,，減少在手術(shù)現(xiàn)場進(jìn)行手工彎曲調(diào)整的需要,。）

氧化鋯義齒（博力邁科技Porimy研發(fā)了陶瓷3D打印機(jī)，并推出3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產(chǎn)線,，由患者牙模數(shù)字化掃描與建模,、義齒三維設(shè)計(jì)、3D打印義齒生坯,、脫脂與高溫?zé)�結(jié),、上釉等工序組成。Porimy的3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產(chǎn)線已通過廣泛的機(jī)械,、屬性和生物檢查,。2017年10月，公司取得了醫(yī)療器械注冊證書,，正式向國內(nèi)市場推出第一款3D打印陶瓷義齒,。）

可降解的骨修復(fù)植入物/支架（①中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生及骨腫瘤治療方面取得了系列研究進(jìn)展；②2018年2月,，西京醫(yī)院骨科開展了3D打印支架長段骨缺損修復(fù)的臨床試驗(yàn),。3D打印支架由西安點(diǎn)云生物科技有限公司采用無絲3D打印技術(shù)為患者量身定制，材料為生物相容性的陶瓷復(fù)合材料,，能夠在誘導(dǎo)患者自身新骨生成的同時(shí)逐漸降解,，最終被患者的新生骨組織完全替代，無需二次手術(shù)取出,，降低植入物在體內(nèi)長期存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),；③美西北大學(xué)3D打印可降解陶瓷植入物植入人體）

中國陶瓷3D打印在航空領(lǐng)用優(yōu)勢突顯
陶瓷零件因強(qiáng)度高、密度低,，耐高溫,，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在航空航天制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。世界某發(fā)動(dòng)機(jī)公司曾對航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展做出評估：發(fā)動(dòng)機(jī)中金屬材料,，如鋁合金,、鎳合金及鈦合金等材料的用量將逐漸減少,，取而代之的是新型高性能陶瓷材料及其他復(fù)合材料,。

目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷零件可分為結(jié)構(gòu)零件（如渦輪整體葉盤,、機(jī)頭罩,、機(jī)翼前緣和襟翼,、導(dǎo)彈的噴管和鼻錐等）和功能零件（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星的天線罩和天線窗等）,。

世界首次微重力陶瓷3D打�,。�6月，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機(jī)成功完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗(yàn),。同時(shí)還利用3D打印的陶瓷模具完成了首次微重力環(huán)境下金屬材料鑄造技術(shù)試驗(yàn),。）

微重力環(huán)境下立體光刻制造技術(shù)打印的陶瓷樣品。

（中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 供圖）

陶瓷4D打印系統(tǒng)出爐（8月,，港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出全球首個(gè)陶瓷4D打印系統(tǒng),。4D打印是傳統(tǒng)3D打印加上第四維度——時(shí)間，在第四維度中,，打印物體可在外部環(huán)境,，如機(jī)械力、溫度的刺激下,，隨著時(shí)間的推移重新成形或自我組裝,。打印出來的陶瓷堅(jiān)固且擁有復(fù)雜的形狀，有望在電子和航空航天領(lǐng)域大展拳腳,。）

陶瓷基鋁合金材料受關(guān)注（中國商飛公司與上海交通大學(xué)曾合作研制出陶瓷基鋁合金材料,。在提高材料綜合性能的同時(shí)，既保持了鋁合金易成形,、易加工的特性,，又具備了復(fù)合材料高剛度、高強(qiáng)度,、高抗疲勞,、低膨脹、高阻尼,、耐高溫等特性,。但該材料要真正實(shí)現(xiàn)在民機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用，還要經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證并完成相應(yīng)的適航審定程序,。）

結(jié)束語
未來,，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出更為精密化、智能化,、通用化以及便捷化等主要趨勢,，更多可開發(fā)的多樣性材料將為跨行業(yè)應(yīng)用帶來更為光明的前景。

從據(jù)知名市場研究公司M&M發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告也印證了陶瓷3D打印技術(shù)的未來,，截至目前,，3D打印陶瓷市場份額最大的地區(qū)仍是北美，并有望繼續(xù)領(lǐng)跑；歐洲其次,，而亞太地區(qū)則有望后來居上,，在未來5年里坐擁全球最高的增長率。主要包含3D打印陶瓷粉末材料市場,、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場和相關(guān)設(shè)備,、技術(shù)市場等的陶瓷3D打印市場，發(fā)展?jié)摿�巨大�?br />
來源：瓷博士